1、离子交换法的应用与前景,离子交换法的发展趋势,负责人：中加131 苏仕轩 13401715中加131 徐玉麒 13401720,目录,离子交换法的发展与应用1.1 离子交换法的定义1.2 离子交换法的发展1.2.1 离子交换法的发展史1.2.2 离子交换法的分类1.3 离子交换法的优点1.4 离子交换法的应用 离子交换树脂的发展趋势及应用2.1 离子交换树脂的介绍2.2 离子交换树脂的最新研究2.2.1 去离子水的制备2.2.2 离子交换树脂在电镀废水处理中的应用、优点2.2.3 离子交换树脂在污酸净化中的应用2.2.4 离子交换树脂在环境保护中的作用 总结,一，离子交换法的发展与应用,1.1
2、 离子交换法的定义离子交换是借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离 子进行交换，是液相中的离子和固相中离子间所进行的一种可逆 性化学反应。在分析化学中应用较多的是有机离子交换剂，又称离子交换 树脂。,1.2 离子交换法的发展 1.2.1 离子交换法的发展史早在 1850 年就发现了土壤吸收铵盐时的离子交换现象， 但离 子交换作为一种现代分离手段，是在 20 世纪 40 年代人工合成了 离子交换树脂后。1944 年美国通用电器公司的皮茨菲尔德实验室 用聚苯乙烯和丙烯酸衍生物合成了非常稳定而且可逆的离子交换 树脂，开始了现代离子交换的时代。20 世纪 60 年代以后，离子 交换树脂的合成与离子
3、交换分离技术取得了迅速发展。至今，离 子交换分离法在我们日常生活中任然存在着巨大的作用。,1.2.2 离子交换法的分类离子交换树脂种类繁多，分类方法也有很多。按树脂的物理 结构分类，可以分为凝胶型、大孔型和载体型；按合成树脂所用 原料单体分类，可以分为苯乙烯型、丙乙烯型、酚醛型、环氧型 和乙烯吡啶型；按用途分类时对树脂的纯度、粒度和密度等有不 同的要求，可以分为工业级、食品级、分析级、核等级、床层专 用和混合床专用等。最常用的是依据树脂交换基团的类别分类。,1.3 离子交换法的优点,分离效果高； 选择性好； 适用性强； 应用广泛； 多相操作； 分离容易。,1.4 离子交换法的应用重金属污水处理
4、工业：近年来，一种将传统的离子交换与电渗析有机结合的技术 电去离子技术 EDI(Electro-de-ionization)，引起了人们的注意。电去离子技术是在电场的作用下将离子交换膜和离子交换树脂相结合，实现离子的深度脱除与浓缩的新型离子分离过程。将离子交换与电渗析有机的结合起来，具有离子交换深度除盐和电渗析连续除盐的优点，同时弥补了电渗析的浓差极化所造成的不良影响，而且避免了离子交换树脂酸碱再生所造成的二次污染。此外，在超纯水生产领域，目前将电去离子技术置于反渗透之后以取代传统的离子交换混床，已成为新一代清洁生产工艺的核心技术。随着研究的不断深入，EDI 将成为具有很大发展潜力的重金属废水
5、处理技术，实现废水“零排放”。,食品工业：离子交换分离技术也用于糖类脱色、糖中无机盐测定，酒类 去浊去酸去碱去 SO 2 、柠檬酸、重金属离子，以及脱色 PH 调节， 食品添加剂及染料的提纯提取， 果汁牛奶的浓缩， 海产食品去腥， 油脂氢化催化剂的回收，油脂漂白后去过氧化氢，豆浆去味，果 酱脱酸以及各种果汁、香料脱色，天然色素的提取，果酱脱盐等 一系列食品加工工业 。,医药工业：离 子 交 换 法 纯 化 鸡 卵 黄 免 疫 球 蛋 白 ， 简 称 IgY (immunoglobulin of chicken egg yolk)。经大量的研究发现，IgY 具有 不与人类补体以及类风湿因子结合等
6、免疫学特性，现在已被广泛应用于免 疫学诊断和医药等许多方面，因而 IgY 分离纯化的研究有着重要的意义。 采用一步洗脱离子交换纯化 IgY， 该法与传统的盐析法相比，活性损失较 小，蛋白质回收率和纯度较高，改善了传统的盐析法不能同时具有高纯度和 高回收率的缺点；而且仪器设备操作简便，成本低，可实现大规模生产制备 高纯度和高回收率的鸡卵黄免疫球蛋白。,清洁能源工业：生物柴油是以动植物油脂为原料制备的长碳链脂肪酸甲酯。 生物柴油是一种可再生且对环境友好的替代燃料， 由于其闪点高， 含硫量低，并且具有良好的动力性能与排放性能而被广泛关注。 离子交换树脂对酯交换和酯化反应来制备生物柴油有着较高的活 性
7、，且制得的产品无需后处理，对环境友好且树脂还可以反复使 用。离子交换树脂作为酯交换的固体酸碱催化剂，具有化学性质 稳定，催化活性高，使用方便等优点；离子交换树脂也可以作为 一种载体，以脂肪酶为催化剂，催化制备生物柴油。,冶金工业：近10年来离子交换法在镍钴湿法冶金技术中取得了迅速的发展， 离子交换法是一种工艺简化、成本低及对环境友好型的镍钴分离提 取技术。阳离子交换树脂IRN-77树脂骨架为苯乙烯- 二乙烯苯共聚 物，其功能团为磺酸基，属于强酸性树脂，可用于钴或镍的回收。 2004年2月，Kang等人研究了采用IRN - 77树脂处理废水中Co 2+ ， Ni 2 + 和Cr 3+ 离子，且树
8、脂的最佳加入量是0.6 g/mL溶液，溶液中 金属离子的最佳浓度为200 mg/L，可以根据阳离子交换树脂IRN-77 对不同离子吸附量以及吸附顺序的不同，从而达到分离。镍钴湿法 冶金技术的发展和离子交换树脂的合成所取得的成就息息相关，也 得益于镍钴离子交换分离提取实践经验的积累。,原子能工业：随着原子能事业的发展，离子交换法在其方面的应用更加广 泛。 对处理放射性物质来说， 离子交换法是一个简便的分离方法。 在反应过程中， 可用聚苯乙烯-二乙烯苯季胺盐型强酸性离子交换 树脂，从碱性浸出液中提取铀；用弱碱性阳离子交换剂处理核反 应堆用水； 用阳离子交换树脂除去放射性废水中少数核素碘、 磷、 钼
9、、氟等；用无机离子交换树脂回收核燃料、处理裂变产物；用天 然的无机离子交换机处理放射性废液等。,天然物的提取和纯化随着分离科学与技术的进步，树脂提取分离技术在天然产物 提取分离中的应用日益增加。天然氨基酸主要来源于蛋白质水解 液或微生物发酵液，随着来源的不同，体系中氨基酸的含量与半 生杂质的类型也有所区别，因而提取分离工艺也不尽相同。由于 树脂对不同氨基酸的选择性不同，可以利用阳离子交换树脂对混 合物氨基酸进行分离；利用弱酸性阳离子交换树脂或弱碱性阴离 子交换树脂，可以提取、纯化抗生素和蛋白质；利用阳离子交换 树脂提取分离和富集生物碱；利用阴离子交换树脂使糖类物质分 离和纯化；利用阴离子交换树
10、脂吸附分离莽草酸。,二，离子交换树脂最新发展趋势及应用,2.1 离子交换树脂的介绍：离子交换树脂是一类具有网状结构的有机高分子聚合 物。网状结构的骨架部分化学性质十分稳定， 可在其上边连 上许多活性基团以此来构成。机理就是利用这些活性基团 解离出离子， 然后发生反应。离子交换树脂可以分为两大 类， 根据其活性基团解离出的离子分为阳离子交换树脂和阴 离子交换树脂。根据其种类的划分， 研究其在不同领域的作 用， 分类研究其化学性质这样才能使其更有利用价值。,2.2 离子交换树脂的最新研究： 2.2.1 去离子水的制备现在我们生活中饮用的大部分是自来水， ， 而自来水中常含有一些杂质， 主要是无机盐
11、， 如 K+、 Na+、 Ca 2 + 、 Mg 2 + 、Cl- 和 NO 3- 等。为了除去这些离子制备去离子水， 可以先将强酸性阳离子交换树脂处理成氢型， 将强碱性阴离子树脂处理成氢氧型， 先让待纯化的水通过阳离子交换树脂柱， 这样就除去水中的各种阳离子， 然后再让除去阳离子的水通过阴离子交换树脂柱， 以交换除去水中的各种阴离子。另外此树脂可以再生， 当树脂上的活性基团被水中交换上的离子饱和后， 可以用强酸强碱分别洗脱阳柱和阴柱上的这些离子，是树脂恢复交换能力。这样使我们的应用水软化的方法不仅节约了费用， 更对我们的生活质量有所提高。,2.2.2 离子交换树脂在电镀废水处理中的应用据不完
12、全统计， 全国的电镀生产每年排放 4 亿 t 含重金属废水。目前， 我国大部分电镀厂都存在一定的污染情况。许多电镀厂在生产电镀以后， 废水处理不达标就排放，甚至有的电镀厂废水处理系统瘫痪， 这样给环境的压力就增大了许多， 严重超过了环境的自主拯救系统。可见， 处理好电镀方面给环境施加的压力， 将大大改善我国的环境卫生。现在许多电镀厂采用的还是一般的化学降解， 这样处理的结果不但费用高， 而且还污染环境。据统计， 在电镀污水处理系统中引入离子交换树脂是比较合适的， 国外特别是欧盟 90%以上的电镀生产线(车间)采用的都是离子交换树脂方法。,优点： (1)根据离子交换树脂的本身可以重复使用的特性，
13、 可以回收再生利用; (2)离子交换树脂处理所需费用低; (3)离子交换树脂制作简单， 比较省材料，因此工厂在制作时可以减少 投资; (4)离子交换树脂处理电镀废水机组也可用于电镀后工件漂洗水中贵重 金属离子的回收。,2.2.3 离子交换树脂在污酸净化中的应用重金属离子废水经过自身的反应会使其产生酸性， 这个环境带来了极大的污染。在冶炼烟气制酸工艺流程中， 对冶炼烟气降温除尘至关重要。其主要工艺过程是:将烟气中含有的固态或者液态悬浮颗粒和部分易溶于水的气体通过与水逆向接触从烟气中分离出去。净化除尘产生的废水经过固液分离之后产生上清液， 工业上称其为污酸。此时处理可用阳离子交换树脂， 这样可以把
14、其中的 H+与树脂的骨架结合， 从而降低了污水中的酸性， 另外树脂可以再生， 大大减少了成本。这样可以减少生活中的酸污染， 减少酸污染可以使我国减少雾霾， 酸雨等现象。,2.2.4 离子交换树脂在环境保护中的作用离子交换树脂的技术在我国已经发展到了一定的地步，基于它的作用以及现在可持续发展的战略， 把国家建设成绿色环保， 21 世界的绿色世界， 我们把它投入环境保护行列。处理污水， 处理污酸， 减少酸雾， 减少雾霾， 这样就可以是我国环境得到进一步的改善。水处理领域离子交换树脂的需求量很大， 约占离子交换树脂产量的 90%， 用于水中的各种阴阳离子的去除 。目前， 离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上， 其次是原子能、 半导体、 电子工业等。这些都是在环境上的应用， 大大改善了我们现在的环境， 基于这些， 离子交换树脂将会越来越广泛的被应用。,三，总结,随着科学技术的发展、人们生活水平的提高，离子交换树脂 在各行业中的应用将越来越广泛，对生产过程中的条件控制也越 来越严格。因此，增加树脂品种，提高树脂的安全性是未来树脂 应用研究的主要领域之一。在今天以及不久得将来，离子交换分 离技术将更好地为人类服务。,
